DE4404434A1 - Einrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer elektrischen Leitung und einer elektrischen Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einer Leitung und einer elek­ trischen Maschine. Sie ist insbesondere auf die Übertragung der elektrischen Energie zwischen einer Fahrleitung und einer Hochgeschwindigkeitslokomotive anwendbar. Allgemeiner ist sie auf die Übertragung zwischen einer elektrischen Ver­ sorgungsleitung und einer beweglichen elektrischen Maschine anwendbar, wobei zwischen der Maschine und dem Kabel ein hinreichender Kontakt vorliegen muß, um einen möglichst störungsfreien Betrieb dieser letzteren aufrechtzuerhalten, und wobei die elektrische Leitung z. B. ein gespanntes Kabel oder eine Schiene sein kann.

Ein im Zusammenhang mit den elektrischen Hochgeschwindig­ keitszügen anzutreffendes Problem sind Fehler bei deren elektrischer Versorgung auf dem Niveau der Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Fahrleitung und einer Lokomotive. Um diese Übertragung sicherzustellen, ist die Lokomotive allgemein mit einem Scherenstromabnehmer ver­ sehen, der elektrisch mit dem Motor der Lokomotive verbunden ist, und auf dem eine Kufe angeordnet ist, die durch Feder­ wirkung an die Fahrleitung angelegt ist, wobei die Kufe und der Scherenstromabnehmer die Elektrizität leiten.

Nun ist die Fahrleitung in Wirklichkeit nicht vollständig geradlinig, insbesondere auf der Höhe der Stellen ihrer Befestigung an Masten. Sie kann auch Wellen aufweisen, was zu der Tatsache beiträgt, daß sie nicht geradlinig ist. Diese beiden letzten Arten von Unregelmäßigkeiten führen zu Unterbrechungen des Kontaktes zwischen der Fahrleitung und der Kufe des Scherenstromabnehmers. Überdies trägt auch der Wind durch ein Verlagern der Fahrleitung zu diesen Kontakt­ unterbrechungen bei.

Ist die Geschwindigkeit des Zuges nicht sehr hoch, so wird durch diese Unterbrechungen im allgemeinen der Betrieb der Lokomotiven nicht beeinträchtigt. Die Geschwindigkeit dieser letzteren ist dann nämlich hinreichend gering, so daß der Kontakt zwischen den jeweiligen Unterbrechungen ausreichend lange hergestellt ist und eine hinreichende Energiemenge übertragen wird.

Anders verhält es sich, wenn der Zug sich mit großer Geschwindigkeit bewegt. In diesem Fall besteht die Gefahr, daß die Dauer des elektrischen Kontaktes zwischen zwei Unterbrechungen zu kurz und die Übertragung elektrischer Energie unzureichend ist. Zum Beispiel ist es für einen angemessenen Betrieb einer sich mit 360 km/h bewegenden Lokomotive erforderlich, etwa alle 10 m einen elektrischen Kontakt sicherzustellen, nämlich alle 0,1 s, was zu einem Kontaktdurchlaßband von etwa 10 Hz führt.

Eine Lösung könnte darin bestehen, die Kontaktkraft zwischen der Kufe des Scherenstromabnehmers und der Fahrleitung zu erhöhen. Eine solche Lösung ist jedoch weder zuverlässig noch wirtschaftlich, da sie zu einer schnellen Abnutzung der elektrischen Kontakte führt.

Es liegen Lösungen vor, die zu keiner Abnutzung der Kontakte führen, indem insbesondere die Lage eines Scherenstromab­ nehmers so gesteuert wird, daß seine Kraft, die er auf die Fahrleitung ausübt, gleich der Federkraft ist, die diese letztere auf den Kontakt ausübt. Diese Lösungen, bei denen die Steuerung durch Elektromotoren verwirklicht ist, gestat­ ten es jedoch nicht, hinreichend große Kontaktdurchlaßbänder zu erreichen.

Ziel der Erfindung ist es, die zuvor genannten Nachteile zu beseitigen, indem insbesondere ein hinreichend großes Kon­ taktdurchlaßband zwischen einer Fahrleitung und einer Loko­ motive sichergestellt wird, die eine solche Übertragung elektrischer Energie zuläßt, wie sie für einen fehlerfreien Betrieb der Lokomotive erforderlich ist.

Hierzu schafft die Erfindung eine Einrichtung zur Übertra­ gung elektrischer Energie zwischen einer elektrischen Lei­ tung und einer elektrischen Maschine, wobei zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende der Einrichtung eine elektrische Leitung sichergestellt ist und das erste Ende elektrisch mit der Maschine verbunden ist, und wobei die Einrichtung wenigstens Mittel enthält, die ihr eine Kraft auferlegen, so daß ihr zweites Ende mit der Leitung in Kon­ takt ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mittel zur Auferlegung der Kraft durch ein Hydrauliksystem gebildet sind, das der Übertragungseinrichtung die Kraft mittels eines Stellglieds auferlegt, wobei der Druck in dem Hydrau­ liksystem durch die Lage eines Schiebers gesteuert ist.

Die hauptsächlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß sie eine lange Lebensdauer der elektrischen Kontakte sicherstellt, ihr Betrieb von elektrischen Störungen unab­ hängig ist, daß sie mechanische Phänomene z. B. aufgrund von Federeffekten abschwächt, und daß sie wirtschaftlich ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird; in dieser zeigt

Fig. 1 eine Maschine, die elektrisch mit einer Leitung verbunden ist;

Fig. 2 eine mögliche Übertragungseinrichtung gemäß der Erfindung mit einem Hydrauliksystem;

Fig. 3a eine mögliche Energieübertragungsvorrichtung für eine mechanische Steuerung in Richtung auf das Hydrauliksystem;

Fig. 3b einen Einschwingzustand der zuvor genannten Vorrichtung;

Fig. 4 eine mögliche Form eines Stromes zur Steuerung der zuvor genannten Vorrichtung;

Fig. 5a und 5b mögliche Verläufe der Magnetisierungsenergie in den bei der zuvor genannten Vorrichtung verwende­ ten Magnetkreisen;

Fig. 6 ein mögliches Schaltungsbeispiel zur Entmagneti­ sierung der zuvor genannten Magnetkreise;

Fig. 7 einen möglichen Aufbau des Hydrauliksystems; und

Fig. 8, 9 und 10 mögliche Beispiele einer Lageregelung der Über­ tragungseinrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine M, z. B. eine Loko­ motive, die elektrisch über eine Übertragungseinrichtung T, z. B. einen Scherenstromabnehmer, mit einer elektrischen Leitung, z. B. einer Fahrleitung, verbunden ist. Die Maschine M ist beweglich, wobei sie sich beispielsweise auf einer Schiene R bewegt, und wobei die Übertragungseinrichtung T hinreichend mit der Leitung L in Kontakt bleiben muß, und zwar auch um deren Aufhängungsstellen, wenn sie aufgehängt ist, um eine gute Übertragung der elektrischen Energie von der Leitung L zu der Maschine M zu gestatten. Bewegt sich diese letztere mit großer Geschwindigkeit, so muß das Kon­ taktdurchlaßband der Übertragungseinrichtung T ausreichend sein, um die Übertragung einer hinreichenden elektrischen Energie gemäß den Geschwindigkeiten zu gestatten, wobei dieses Band beispielsweise wenigstens 10 Hz erreichen muß.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel insbesondere dadurch er­ reicht, daß das Übertragungssystem T mit einem Hydraulik­ system versehen wird. Dieses letztere bildet die Mittel zur Ausübung einer Kraft F_A auf die Übertragungsvorrichtung T, wobei die Einrichtung durch diese Kraft mit der Leitung in Kontakt sein kann.

Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Übertragungseinrichtung T beispielsweise durch einen Scherenstromabnehmer oder einen Gelenkarm B gebildet sein, von dem ein erstes Ende E1 elektrisch mit der Maschine verbunden und ein zweites Ende E2 dazu bestimmt ist, mit der Leitung L in Kontakt zu ste­ hen. Über diesem zweiten Ende E2 ist beispielsweise eine Kufe P vorgesehen, die dazu bestimmt ist, den elektrischen Kontakt mit der Leitung, z. B. einer Fahrleitung, zu erleich­ tern. Überdies ist eine elektrische Leitung zwischen den beiden Enden sichergestellt.

Das Hydrauliksystem A übt die Kraft F_A über ein Stellglied V auf die Übertragungseinrichtung aus.

Das Hydrauliksystem H ist beispielsweise auf der Maschine M angeordnet. Um einen zufriedenstellenden Kontakt sicherzu­ stellen, muß die auf die Übertragungseinrichtung T ausgeübte und auf deren zweites Ende E2 oder die Kufe P übertragene Kraft F_A wenigstens größer oder gleich einer Kraft F_L sein, die durch die Leitung auf die Einrichtung auf dem Niveau ihres zweiten Endes E2 oder der Kufe P ausgeübt wird. Vor­ zugsweise kann die auf die Übertragungseinrichtung ausgeübte Kraft F_A mit Hilfe von nicht dargestellten Steuermitteln so reguliert werden, daß sie dauernd gleich der durch die Lei­ tung L ausgeübten Kraft F_L ist. Diese Kraft ist insbesondere eine mechanische oder aerodynamische Widerstandskraft.

Der Druck in dem Hydrauliksystem hängt von der Lage eines Schiebers ab, dessen Lage durch eine Vorrichtung zur Über­ tragung einer mechanischen Steuerenergie gesteuert ist. Diese in Hydrauliksystemen verwendete Art von Vorrichtung besitzt allgemein zwei Stufen. Die erste, ein lineares Betätigungsglied bildende Stufe steuert einen mit einer Achse oder einem Stab versehenen Anker in seiner Bewegung durch Magnetisierung, die sich aus der Wirkung eines Stromes ergibt, der durch eine der Achse zugeordnete Zylinderspule fließt. Die zweite Stufe ist ein Hydraulikverstärker, der z. B. aus einem Schieber und einer Rückholfeder zusammenge­ setzt ist. Die mechanischen Trägheiten, die Resonanzen und die Zeitkonstanten machen insbesondere die Steuerung kompli­ zierter, und sie begrenzen die Verlagerungsgeschwindigkeiten der Teile. Dennoch ist es möglich, die Leistungen dieser Systeme zu verbessern, insbesondere jene bezüglich ihrer Ansprechzeit oder ihres Durchlaßbandes, jedoch zu dem Preis einer Erhöhung ihrer Komplexität, die deren Herstellungs­ kosten beträchtlich ansteigen läßt und deren Zuverlässigkeit begrenzt.

Zur Beseitigung der zuvor genannten Nachteile ist es ins­ besondere erforderlich, kurze Ansprechzeiten zu erhalten, wobei das lineare Betätigungsglied beispielsweise durch ein Dreh-Betätigungsglied in dem Hydrauliksystem H ersetzt ist, mit dem die Übertragungseinrichtung gemäß der Erfindung aus­ gestattet ist. Dieses Dreh-Betätigungsglied gestattet es nämlich, die Verlagerungsgeschwindigkeit der mechanischen Teile ohne Schwingungen oder ohne Resonanzerscheinungen zu erhöhen.

Fig. 3a zeigt ein Prinzipschema einer möglichen Energie­ übertragungsvorrichtung mit einer mechanischen Steuerung in Richtung auf das Hydrauliksystem.

Bei der in dieser Figur dargestellten Vorrichtung ist ein hydraulischer Schieber 1, dessen Bewegung stets linear ist, durch Übertragungsmittel 3 mit einem Dreh-Betätigungsglied 2 verbunden. Diese Übertragungsmittel 3, z. B. ein Zwischen­ glied, übertragen ausgehend von der Drehbewegung des Dreh- Betätigungsglied 2 eine lineare Bewegung auf den Schieber 1. Das Betätigungsglied 2 wird durch einen Dreh-Elektromagneten angetrieben, mit dem es mechanisch fest verbunden ist. Die Winkellage dieses letzteren und damit des Dreh-Betäti­ gungsglieds 2 wird z. B. durch einen Strom I gesteuert, der durch ein elektronisches Modul 4 geliefert wird. Eine kon­ zentrische Feder 5 übt ein Moment aus, das dem entgegenge­ setzt ist, das durch den Strom I des Dreh-Elektromagneten erzeugt wird, so daß das Dreh-Betätigungsglied 2 in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird. Mittel 6 zum Ablesen der Winkellage des Betätigungsgliedes 2 liefern eine für diese Lage repräsentative elektrische Größe, z. B. eine Spannung oder einen Strom, an das elektronische Modul 4, um insbesondere das Steuern oder Regeln der Winkellage des Betätigungsglieds 2 zuzulassen. Die Lage des Schiebers 1 in dem Hydrauliksystem H steuert den Druck in diesem letzteren.

Die Gleichungen, denen die Winkelbewegungen des Betätigungs­ glieds 2 unterliegen, sind noch quadratisch, wie für ein lineares Betätigungsglied. Dennoch gestatten es die Werte insbesondere des Trägheitsmoments des Betätigungsglieds selbst sowie der durch die Feder 5 und durch den Schieber ausgeübten Momente, Einschwingzustände diesseits des kriti­ schen Bereiches zu erhalten, wie dies in Fig. 3b gezeigt ist. Die Kurve C1, die repräsentativ ist für die Antwort der Winkellage R des Betätigungsglieds 2 in Abhängigkeit von der Zeit t auf eine Änderung der Einstellung der Winkellage hin, weist nämlich keine Schwingungen auf.

Die Änderung der Winkellage des Dreh-Betätigungsglieds 2 ist durch die Änderung des Mittelwertes des Stromes I gesteuert, der den Elektromagneten speist, mit dem es fest verbunden ist. Eine einfache Methode für ein einfaches Verändern des Mittelwertes des Stromes I besteht darin, einen z. B. peri­ odischen Impulsstrom mit einem im wesentlichen konstanten Spitzenwert zu wählen und sein Periodenverhältnis zu vari­ ieren.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Form des Stromes I in Abhängig­ keit von der Zeit t, der zur Versorgung des Elektromagneten des Dreh-Betätigungsglieds 2 dient. Dieser Strom I ist im­ pulsartig und z. B. periodisch, wobei er während jeder Peri­ ode T z. B. nicht Null und gleich I während einer Dauer r ist, die geringer als T ist, und während der restlichen Periode Null ist. Der Mittelwert des Stromes I, als bezeichnet, ist damit durch die folgende Beziehung defi­ niert:

Die Frequenz des Stromes I ist so, z. B. mehrere Hundert Hertz, daß die Zeitintervalle, während denen er Null ist, weder einen unmittelbaren Einfluß auf die Stellung des Elektromagneten des Betätigungsgliedes besitzen noch eine Instabilität aufgrund der Zeitkonstanten dieses letzteren bewirken, die deutlich über den Zeitintervallen liegen, während denen der Strom I Null ist.

Für relativ niedrige Frequenzen des Stromes I ist die Ansprechzeit dem Winkellage des Dreh-Betätigungsglieds 2 noch sehr lang, in dem Sinne, daß sie z. B. Werte in der Größenordnung von 0,1 Sekunden, um mit bestimmten Anwendun­ gen kompatibel zu sein, nicht erreicht. Da die Winkellage des Dreh-Betätigungsglieds 2 durch das Periodenverhältnis eines periodischen Stromes gesteuert ist, führt eine Lösung, die ein Vergrößern des Durchlaßbandes der Vorrichtung zuläßt oder, was auf dasselbe hinausläuft, ein Verringern seiner Ansprechzeit zuläßt, zu einer Erhöhung der Frequenz des Stromes I. Nun lassen frühere Versuche keine Vergrößerung des Durchlaßbandes mit der Erhöhung dieser Frequenz erken­ nen, und die Ansprechzeiten des Dreh-Betätigungsglieds 2 verblieben bei einem Wert, der zu groß ist, um es insbeson­ dere dem Hydrauliksystem H zu gestatten, der Übertragungs­ einrichtung T, die damit ausgestattet ist, ein hinreichendes Durchlaßband zu liefern. Die Ursache für diese Stagnation der Ansprechzeit trotz der Erhöhung der Frequenz des Stromes I schien auf mechanische Effekte, insbesondere Reibungen zurückzuführen zu sein.

Die von der Anmelderin gemachten Beobachtungen und Erfah­ rungen haben es zugelassen, die Rolle der in dem Elektro­ magneten des Dreh-Betätigungsglieds 2 gespeicherte Magneti­ sierungsenergie festzustellen.

Die Kurven der Fig. 5a und 5b zeigen den Verlauf dieser Magnetisierungsenergie Em in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Kurve C2 der Fig. 5a stellt die Magnetisierungsenergie Em dar, wo, bei jeder Periode der Dauer T1, der Elektro­ magnet während einer Dauer τ1 mit Magnetisierungsenergie aufgeladen wird, d. h., wenn der Strom I nicht Null ist, und während der restlichen Periode vollständig von dieser Magne­ tisierungsenergie entladen wird. Diese vollständige Entla­ dung der Magnetisierungsenergie ist nur möglich, wenn die Periode T1 hinreichend groß und folglich die Frequenz des Stromes I hinreichend niedrig ist. Sobald diese Frequenz angesichts einer Vergrößerung des Durchlaßbandes der Vor­ richtung erhöht wird, nimmt die Periode des Stromes auf einen solchen Wert ab, daß die in dem Elektromagneten des Dreh-Betätigungsglieds 2 gespeicherte Magnetisierungsenergie nicht vollständig entladen wird, wie dies in der Kurve C3 der Fig. 5b gezeigt ist. In dieser Figur lädt sich der Elek­ tromagnet bis auf einen maximalen Wert der Magnetisierungs­ energie auf, er entlädt sich jedoch in der Folge im Verlauf der folgenden Perioden nicht mehr vollständig. Die Magneti­ sierungsenergie Em variiert nun zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert ungleich Null. Da nun die Winkellage des Dreh-Betätigungsglieds 2 durch den Mittelwert des Stro­ mes I bestimmt ist, ist sie tatsächlich zuerst von dem Mit­ telwert der in dem Elektromagneten des Betätigungsglieds 2 gespeicherten Magnetisierungsenergie abhängig, wobei diese Magnetisierungsenergie wiederum von dem Strom I abhängt. Wenn seine Frequenz so ist, daß die Magnetisierungsenergie Em durch die Kurve C3 dargestellt wird, so bewirkt eine Änderung des Mittelwertes des Stromes I und damit seines Periodenverhältnisses, die dazu bestimmt ist, die Winkellage des Betätigungsglieds zu variieren, eine Veränderung des Mittelwertes zwar nicht während einer Stromperiode wie in dem Fall der Kurve C2, jedoch mit einer Ansprechzeit, die von den Zeitkonstanten der internen Kreise des Elektromagne­ ten abhängig ist. In diesem letzteren Fall ist die Magneti­ sierungsenergie Em stets durch eine Kurve einer Form darge­ stellt, die zu der der Kurve C3 analog ist, jedoch einen unterschiedlichen Mittelwert ergibt. Ist die Frequenz des Stromes I zu hoch, so ist die Ansprechzeit des Betäti­ gungsglieds auf die Änderungen des Periodenverhältnisses des Stromes I nicht von der Frequenz dieses letzteren, sondern von den Zeitkonstanten der internen Kreise des Elektromagne­ ten, d. h. tatsächlich im wesentlichen von seiner Spule ab­ hängig. Die Selbstinduktivität dieser letzteren besitzt einen Wert, der dem Elektromagneten und damit dem mit diesem fest verbundenen Betätigungsglied sehr lange Ansprechzeiten verleiht.

Nachdem dieses Problem erkannt worden ist, wird für die Energieübertragungsvorrichtung mit mechanischem Antrieb der durch das Prinzipschema der Fig. 3a dargestellte Grundaufbau beibehalten, wobei insbesondere das Dreh-Betätigungsglied 2 verwendet wird, dem hier beispielsweise im Innern des elek­ tronischen Moduls 4 ein Schaltkreis zur Entmagnetisierung des Elektromagneten des Betätigungsglieds 2 hinzugefügt wird, der dazu bestimmt ist, die Unterdrückung seiner Magne­ tisierungsenergie Em während einer Periode des Stromes I zu­ zulassen.

Fig. 6 zeigt ein mögliches Beispiel eines Schaltkreises zur Entmagnetisierung des Elektromagneten des Betätigungsglieds 2, der insbesondere dann verwendet wird, wenn die Frequenz des impulsartigen Stromes I erhöht wird. Der Strom I wird z. B. von einer Spannungsquelle 21 von z. B. 28 Volt gelie­ fert. Diese Spannungsquelle 21 ist hauptsächlich durch die Spule 22 des Rotors des Elektromagneten des Betätigungs­ glieds 2 und durch einen Transistor 23, z. B. einen Feld­ effekttransistor, belastet. Die Spule 22 ist mit dem posi­ tiven Pol der Spannungsquelle 21 und mit dem Drain-Anschluß des Transistors 23 verbunden. Der negative Pol der Span­ nungsquelle 21 und der Source-Anschluß des Transistors 23 sind z. B. mit einem Massepotential 24 verbunden. Der Tran­ sistor wird z. B. von zwei Transistoren 25, 26 gesteuert, die im "Gegentakt" geschaltet sind. Der Emitter des Transistors 25 und der Kollektor des Transistors 26 sind mit dem Gate- Anschluß des Transistors 23 verbunden, während der Kollektor des Transistors 26 an das Massepotential 24 angeschlossen ist. Ein zwischen den positiven Pol der Spannungsquelle 21 und den Kollektor des Transistors 25 geschalteter Widerstand 27 begrenzt den Steuerstrom in den Transistoren 25, 26. Eine Amplitudenbegrenzerdiode 28 begrenzt die Spannung an den Klemmen dieser Transistoren. Die Basen der Transistoren 25, 26 sind mit einem gleichen logischen Steuersignal verbunden. Das Vorliegen dieses Signals macht den Transistor 23 über die anderen Transistoren 25, 26 leitend und führt somit zu einem Stromfluß durch die Spule in der Größenordnung von z. B. 2 Ampere, und das Fehlen dieses Signals sperrt den Transistor 23 und hebt damit den Strom in der Spule 22 auf. Dieses Signal kann z. B. von einem analogen Schaltkreis oder einem digitalen Schaltkreis auf Mikroprozessorbasis gelie­ fert werden. Wenn der Strom in der Spule 22 aufgehoben ist, wird diese von einer Diode 29 und einem Widerstand 30 ent­ magnetisiert. Hierzu ist der Widerstand 30 zwischen den der Spule 22 und dem Drain-Anschluß des Transistors 23 gemein­ samen Punkt und die Katode der Diode 29 geschaltet, während die Anode dieser letzteren mit dem anderen Ende der Spule 22 verbunden ist, die selbst an den positiven Pol der Span­ nungsquelle 21 angeschlossen ist. Ein nicht dargestelltes Filter, das hauptsächlich aus einem Kondensator zusammenge­ setzt und zwischen der Spule 22 und der Spannungsquelle 21 angeordnet ist, entkoppelt diese vom Rest der Schaltung, in­ dem von diesem insbesondere Stromschwankungen an ihrem Aus­ gang ferngehalten werden.

Die Magnetisierungsenergie, der der Elektromagnet des Dreh- Betätigungsglieds ausgesetzt ist, wird daher schnell abge­ baut, nachdem der Strom in seiner Spule unterbrochen wurde. Damit ist es möglich, die Frequenz zu erhöhen und diese Erhöhung zur Verringerung der Ansprechzeit der Vorrichtung gemäß der Erfindung auszunutzen. Ein Durchlaßband von 10 Hz, nämlich eine Ansprechzeit von etwa 0,1 Sekunden, kann nun leicht erreicht werden.

Fig. 7 zeigt nun beispielhaft einen möglichen Aufbau des Hydrauliksystems H, mit dem die erfindungsgemäße Übertra­ gungseinrichtung ausgestattet ist.

Fig. 7 zeigt das zuvor genannte Dreh-Betätigungsglied 2, das mit einer nicht gezeigten Rückholfeder ausgestattet ist und über ein Zwischenglied 3 und eine Stange 41 eine Trans­ lationsbewegung auf einen in einem Körper 49 enthaltenen Hydraulikschieber 1 überträgt. Dieser Schieber lenkt die Zirkulation von Öl oder einer anderen Flüssigkeit durch meh­ rere Hydraulikkreise 42, 43, 44. Der Hydraulikschieber 1 gestattet durch seine Verlagerung in der durch den Pfeil A angedeuteten Richtung, daß der in einem ersten Kreis 42 vor­ handene Hydraulikdurchfluß zu einem zweiten Kreis 43 gelenkt wird, wodurch die Hydraulikerzeugung mit der Ausnutzung, d. h. mit dem auf die Übertragungseinrichtung T wirkenden Stellglied V in Verbindung gesetzt wird. Verlagert sich der Schieber in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung, so wird der zweite Kreis 43 mit einem dritten Kreis 44 in Ver­ bindung gesetzt. Dieser letztere Kreis stellt die Verbindung der Ausnutzung, des Stellglieds V, mit einem Reservoir 47 sicher. Der erste Kreis 42 ist mit dem Reservoir 47 über eine Pumpe 48 verbunden, deren Druck auf einem bestimmten Wert konstant gehalten ist. Der Körper 49 besitzt an jedem seiner Enden einen Balg zur Rückgewinnung von Öl oder Flüs­ sigkeit, die dann über einen Kreis 50 zu dem Reservoir 47 übertragen wird.

Der Elektromagnet des Dreh-Betätigungsglieds 2 kann durch einen impulsartigen Strom einer Frequenz gesteuert sein, die beispielsweise etwa gleich 500 Hz ist.

Die Vorrichtung der Fig. 7 bietet die Möglichkeit, zwischen dem Zwischenglied 3 und dem Hydraulikschieber 1 die Zusam­ mensetzung der Bewegung und der Verschiebung nach Bedarf zu ändern, wonach Nocken zwischen dem Zwischenglied 3 und dem Hydraulikschieber 1 vorgesehen sein können oder nicht.

Fig. 8 zeigt das Blockschaltbild einer ersten Art einer möglichen Steuerung der Übertragungseinrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Steuermittel auf das Hydrauliksystem H wirken.

Eine Einstellkraft F_CO wird dem positiven Eingang eines ersten Subtrahierers 81 aufgegeben, der die Subtraktion zwischen einer an seinem positiven Eingang auftretenden Größe und einer an seinem negativen Eingang auftretenden Größe bewirkt. An diesem letzteren tritt das Ausgangssignal von Mitteln 82 zur Messung der Reaktionskraft auf, der die Übertragungseinrichtung T ausgesetzt ist. Besitzt diese eine Kufe in Kontakt mit der elektrischen Leitung, so wird die Reaktionskraft auf der Höhe der Kufe gemessen.

Die Meßmittel 82 sind beispielsweise an der Übertragungs­ einrichtung befestigt, um die zuvor genannte Reaktionskraft aufzunehmen, die die Differenz zwischen der durch die Lei­ tung auf die Übertragungseinrichtung ausgeübten Kraft F_L und der Kraft F_A ist, die durch das Hydrauliksystem H auf die Übertragungseinrichtung ausgeübt wird. Diese Meßmittel 82 können z. B. durch eine Dehnungsmeßeinheit oder eine Deh­ nungsmeßstreifen-Einheit gebildet sein, die Mitteln zur elektrischen Umwandlung der gemessenen Größen zugeordnet sind, die in Aufnahmen der Übertragungseinrichtung, z. B. in Aufnahmen eines Gelenkarmes oder eines Scherenstromabnehmers befestigt sind, wobei diese Aufnahmen insbesondere gestatten, einen Schutz der Einheit vor den Störwirkungen von Wellen zu erhalten, die durch die über die elektrische Leitung trans­ portierte Energie abgestrahlt werden. Eine Dehnungsmeßein­ richtung kann beispielsweise in einer Wheatstonebrücke mit drei Widerstandselementen angeordnet sein, wobei eine Ver­ formung des Meßkörpers den Strom verändert, der von der Wheatstonebrücke geliefert wird.

An den Ausgang des ersten Subtrahierers 81 ist der elektro­ nische Modul 4 angeschlossen, wobei der Subtrahierer 81 die­ sem letzteren z. B. in Form einer elektrischen Größe eine Fehlerinformation E liefert, die die Differenz zwischen der Einstellkraft F_CO und der Reaktionskraft darstellt, die von den Meßmitteln 82 geliefert wird. Der Fehler ε, der einen Kraftfehler darstellt, wird beispielsweise durch den elek­ tronischen Modul beispielsweise mittels einer gespeicherten Umwandlungstabelle in einen Winkellagefehler des Dreh- Betätigungsglieds 1 umgewandelt. Der elektronische Modul enthält z. B. eine Steuerung, deren Funktion darin besteht, diesen Winkellagefehler zu verringern. Das Ergebnis der Steuerung wirkt sich insbesondere auf den mittleren Strom des impulsartigen Stromes I des Elektromagneten des Dreh- Betätigungsglieds 2 aus, wobei dieser mittlere Strom die Winkellage diesen letzteren steuert. Ist der Strom peri­ odisch, so ist der mittlere Strom insbesondere durch den Formfaktor des impulsartigen Stromes I bestimmt. Das Dreh- Betätigungsglied 2 verschiebt den Schieber 1 des Hydraulik­ systems H so, daß die Kraft F_A verändert wird, die es auf die Übertragungseinrichtung T ausübt, wobei die Steuerung so erfolgt, daß die Reaktionskraft gleich der Einstellkraft F_CO ist. Diese Einstellkraft F_CO bestimmt die Kontaktkraft zwischen der Übertragungseinrichtung T und der elektrischen Leitung L. Ist dieses letztere ein Spannkabel, so berück­ sichtigt sie z. B. seine Technologie und seine Spannungstech­ nik. Hat man eine Wahl dahingehend getroffen, einen solchen Kontakt zu verwirklichen, daß die der Übertragungseinrich­ tung auferlegte Kraft F_A gleich der Kraft F_L ist, die die elektrische Leitung L auf sie ausübt, so kann die Einstell­ kraft F_CO z. B. gleich 0 gewählt werden.

Fig. 9 zeigt das Blockdiagramm einer zweiten Art einer möglichen Steuerung der Übertragungseinrichtung gemäß der Erfindung. Dem Regelkreis 81, 4, 2, 1, H, T, 82 der Fig. 8 ist ein zweiter Regelkreis 91, 4, 2, 1, H, 92 hinzugefügt. Dieser letztere enthält einen zweiten Subtrahierer 91, der in der gleichen Weise wie der erste 81 arbeitet. Am posi­ tiven Eingang dieses Subtrahierers tritt eine Einstellkraft F_A′ auf, die der Übertragungseinrichtung zuzuführen ist, und an seinem negativen Eingang tritt die Kraft F_A auf, die der Übertragungseinrichtung T auferlegt wird. Diese auferlegte Kraft F_A wird von den Meßmitteln 92 erfaßt, die z. B. vom gleichen Aufbau wie die Mittel 82 zur Messung der Reaktions­ kraft sind. Der Ausgang dieses zweiten Subtrahierers ist mit dem Eingang des elektronischen Moduls 4 verbunden, um ihm ein Fehlersignal ε′ zu liefern, das der Modul z. B. in einen Winkellagefehler des Dreh-Betätigungsglieds 2 umwandelt. Dieser Regelkreis, der den zweiten Subtrahierer 91, den elektronischen Modul 4, das Dreh-Betätigungsglied 2, den Hydraulikschieber 1, das Hydrauliksystem H und die Mittel Hydraulikschieber 1, das Hydrauliksystem H und die Mittel zur Messung der auferlegten Kraft F_A enthält, gestattet ein Regeln dieser letzteren auf die Einstellkraft F′_A, die an dem Eingang des zweiten Subtrahierers 91 anliegt. Diese Ein­ stellkraft F′_A wird z. B. von einem Hilfsmodul 93 abgegeben, dessen Eingang mit dem Ausgang des ersten Subtrahierers 81 verbunden ist. Dieser Hilfsmodul verwirklicht z. B. ausgehend von dem Fehler ε, der von dem ersten Subtrahierer 81 ge­ liefert wird, eine Steuerung zur Festlegung der der Über­ tragungseinrichtung aufzuerlegenden Kraft, wobei diese Kraft die Einstellkraft F′_A ist, die an dem Eingang des zweiten Regelkreises, d. h. an dem Eingang des zweiten Subtrahierers 91 auftritt.

Das Hilfsmodul 93 kann z. B. die Verlagerungsgeschwindigkeit der Maschine mittels eines Fühlers 94 berücksichtigen. Die aufzuerlegende Kraft F′_A ist nun insbesondere von dieser Geschwindigkeit abhängig, wobei die durch den Hilfsmodul verwirklichte Steuerung durch diese Geschwindigkeit korri­ giert wird. Weitere Parameter können durch den Hilfsmodul berücksichtigt werden, um die aufzuerlegende Kraft F′_A zu definieren. Diese Parameter können z. B. die durch die elek­ trische Leitung fließende Intensität oder auch die Umge­ bungsfeuchtigkeit sein.

Die anzuwendende Kraft F′_A kann auch von der Intensität des Stromes abhängig sein, der durch die Übertragungseinrichtung zur elektrischen Maschine übertragen wird, womit insbeson­ dere die Kontaktkraft der Übertragungseinrichtung auf die elektrische Leitung in Abhängigkeit von dieser Intensität konstant gehalten und damit die Abnützung der Kontaktstellen der Übertragungseinrichtung begrenzt werden kann, da diese insbesondere von dem Strom abhängt, der durch die Kontakt­ stellen fließt.

Eine andere mögliche Lösung zur Steuerung der Übertragungs­ einrichtung besteht auch nicht in der Steuerung in Abhängig­ keit von der zuvor genannten Reaktionskraft, die gleich Steuerung in Abhängigkeit von einem abgeleiteten Strom. In diesem Fall wird ein Strom I_D zwischen der elektrischen Leitung und der Einrichtung durch einen Ableitungskreis mit einem bekannten Widerstand R_D abgeleitet, wobei dieser Strom schwächer als der zu der elektrischen Maschine übertragene Hauptstrom ist. Ist auch die Spannung U zwischen der Leitung und der Maschine, oder einem Bezugspotential, bekannt, so ist der gelieferte Strom I_D gleich dem Verhältnis dieser Spannung U zu der Summe aus dem bekannten Ableitungswider­ stand R_D und dem damit in Serie liegenden Kontaktwiderstand R_C zwischen der Leitung und der Übertragungseinrichtung, nämlich:

Da dieser Kontaktwiderstand R_C charakteristisch für den Kontakt zwischen der elektrischen Leitung und der Übertra­ gungseinrichtung ist, ist es möglich, die Lage der Übertra­ gungseinrichtung in Abhängigkeit von seinem Wert zu steuern. Sind die Spannung U und der Ableitungswiderstand R_D bekannt, so ist auch der abgeleitete Strom I_D selbst charakteristisch für den Kontakt, und er kann daher als Steuerparameter ver­ wendet werden.

Die Fig. 10 zeigt eine Steuerung, bei der dieser abgeleitete Strom verwendet wird.

Am positiven Eingang eines Stromsubtrahierers 101 ist z. B. ein Einstellstrom I_DO dargestellt, der einem gegebenen Kontakt zwischen der elektrischen Leitung und der Übertra­ gungseinrichtung T entspricht. Am negativen Eingang dieses Subtrahierers 101 ist der abgeleitete Strom I_D dargestellt. Dieser Subtrahierer 101 liefert am Ausgang einen Fehlerstrom ε_D, der die Differenz zwischen dem Einstellstrom I_DO und dem abgeleiteten Strom I_D darstellt. Dieser Ausgang ist mit dem Eingang des elektronischen Moduls verbunden, der den Strom­ fehler ε_D z. B. mittels einer gespeicherten Umwandlungs­ tabelle in einen Winkellagefehler des Dreh-Betätigungsglieds umwandelt. Wie bei den vorhergehenden Steuerungen korrigiert der elektronische Modul nun den Mittelwert des impulsartigen Stromes I, den er an das Dreh-Betätigungsglied 2 liefert, das die Lage des Hydraulikschiebers I steuert, der den Druck in dem Hydrauliksystem H steuert. Dieses letztere übt auf die Übertragungseinrichtung eine Kraft F_A aus, die den Kontaktwiderstand R_D zwischen der elektrischen Leitung und dem Übertragungsorgan beeinflußt. Die durch den Ableitungs­ widerstand R_D und den Kontaktwiderstand R_D gebildete Einheit 102 ist überdies einer Spannung U ausgesetzt, um den Ablei­ tungsstrom I_D zu liefern, der in einer Schleife zu dem Subtrahierer 101 zurückgeführt ist. Die Spannung U kann die Spannung zwischen der elektrischen Leitung und einem Bezugs­ potential sein. Diese Spannung kann auch auf einem stabili­ sierten Wert konstant gehalten sein, der ausgehend von der Spannung der elektrischen Leitung oder einer anderen verfüg­ baren Spannung verwirklicht ist, was eine genauere Steuerung bzw. Regelung ermöglicht, insbesondere wenn die Spannung der Leitung stark schwankt. Die Ströme, die als Steuerparameter gewählt wurden, können durch jede andere elektrische Größe ersetzt werden, die repräsentativ für den Kontaktwiderstand zwischen der Übertragungseinrichtung und der elektrischen Leitung ist.

Im Falle einer Unterbrechung der Leitung kann der Kontakt nicht mehr sichergestellt werden. Um zu vermeiden, daß eine Abweichung der Lage der Übertagungseinrichtung auftritt, kann ein Lagefühler verwendet werden. Er gestattet ein Festhalten der Lage der Übertragungseinrichtung bezüglich einer gegebenen Lage, sobald z. B. diese Lage erreicht ist. Überdies kann sich ein Zwischenglied 3, das ausgehend von der Drehbewegung des Betätigungsglieds 2 eine lineare Bewegung auf den Hydraulikschieber 1 überträgt, z. B. über die Translationsachse des Hydraulikschiebers 1 hinaus erstrecken, die in Fig. 7 insbesondere durch die Grenze 41 dargestellt ist. Damit ist es nämlich möglich, unmittelbar auf die Lage des Schiebers 1 unabhängig von der Lagesteue­ rung oder eventuellen Störfunktionen auf der Ebene dieser Steuerung einzuwirken.

Die Steuerungen gestatten auch ein ruckfreies Positionieren der Übertragungsvorrichtung zur Herstellung des Kontaktes mit der elektrischen Leitung ausgehend von einer z. B. zusam­ mengelegten Ausgangsstellung der Einrichtung. Dieses Inkon­ taktbringen kann beispielsweise durch ein Beeinflussen der Einstellwerte der Kraft F_CO oder des Stromes I_DO erfolgen, wobei diese Werte beispielsweise von einem Anfangswert bis zu ihrem Nennwert progressiv variieren können, um die Über­ tragungseinrichtung progressiv zur Leitung zu führen und mit dieser in Kontakt zu bringen.

Die elektrische Leitung kann beispielsweise ein gespanntes Kabel, eine Fahrleitung oder eine Schiene sein. Die elektri­ sche Maschine kann eine Lokomotive, beispielsweise eine Hochgeschwindigkeitslokomotive, sein.

Das Hydrauliksystem kann beispielsweise durch einen hydrau­ lischen Generatorkreis gespeist sein, der von einem Elektro­ motor angetrieben ist. Eine unabhängige elektrische Energie kann den Elektromotor versorgen, so daß dieser z. B. unabhän­ gig von dem elektrischen Betrieb der Maschine ist. Überdies kann eine solche elektrische Energie mittels eines Wandlers eine schwebende, durch einen Transformator isolierte und dann elektrisch mit der Leitung gekuppelte Spannung liefern, um z. B. eine Spannung U an den Ableitungskreis R_D + R_C zu liefern, der bei einer Steuerung unter Verwendung des zuvor genannten Ableitungsstromes I_D verwendet wird.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer elektrischen Leitung (2) und einer elektrischen Maschine (M), wobei zwischen einem ersten Ende (E1) und einem zweiten Ende (E2) der Einrichtung eine elektrische Leitung sichergestellt ist und das erste Ende elektrisch mit der Maschine verbunden ist, und wobei die Einrichtung wenig­ stens Mittel enthält, die ihr eine Kraft (F_A) auferlegen, so daß ihr zweites Ende mit der Leitung in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Auferlegung der Kraft (F_A) durch ein Hydrauliksystem (H) gebildet sind, das der Übertragungseinrichtung (T) die Kraft (F_A) mittels eines Stellglieds (V) auferlegt, wobei der Druck in dem Hydraulik­ system durch die Lage eines Schiebers (1) gesteuert ist.

2. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Steuermittel enthält, die ihre Lage so steuern oder regeln, daß die Reaktionskraft, die sie erfährt, gleich einer ersten gegebenen Einstellkraft (F_CO) ist, wobei die Reaktionskraft gleich der Differenz zwischen der Kraft (F_A), die ihr das Hydrauliksystem (H) auferlegt, und der Kraft (F_L) ist, die ihr die elektrische Leitung (L) auferlegt.

3. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellkraft (F_CO) einen Wert Null besitzt.

4. Übertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerenergie des Hydrauliksystems (H) diesem durch ein Dreh-Betätigungsglied (2) geliefert wird, das mit einer Rückholfeder (5) versehen ist, sowie durch mit dem Dreh-Betätigungsglied (2) verbun­ dene Mittel (3) zur Übertragung einer Linearbewegung auf den Schieber (1), wobei das Dreh-Betätigungsglied (2) von einem Dreh-Elektromagneten angetrieben wird, dessen Winkellage durch den Mittelwert eines impulsartigen Stromes (1) ge­ steuert ist.

5. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreh-Betätigungsglied (2) Mittel (6) zur Messung seiner Winkellage enthält, wobei die Meßmittel (6) eine für die Winkellage repräsentative elektrische Größe an einen elektrischen Modul (4) liefern, der den impuls­ artigen Strom (I) zur Steuerung des Elektromagneten des Dreh-Betätigungsglieds (2) liefert, um die Winkellage dieses letzteren zu steuern.

6. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreh-Betätigungsglied (2) mit Mit­ teln (29, 30) zur Unterdrückung der in dem Elektromagneten gespeicherten Magnetisierungsenergie (Em) ausgestattet ist.

7. Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel wenigstens einen ersten Regelkreis mit einem ersten Subtrahierer (81) enthalten,
dessen positiver Eingang die erste Einstellkraft (F_CO) er­ hält,
dessen negativer Eingang mit Mitteln zur Messung der Reak­ tionskraft (82) verbunden ist, und
dessen Ausgang mit dem Eingang des elektronischen Moduls (4) verbunden ist, um diesem eine Fehlerinformation (E) zu liefern, die die Abweichung zwischen der Einstellkraft (F_CO) und der Reaktionskraft repräsentiert, wobei der elektroni­ sche Modul diesen Fehler in einen Winkellagefehler des Dreh- Betätigungsglieds (2) umformt und den Wert des mittleren Stromes I zur Steuerung dieses letzteren so umformt, daß dieser Winkellagefehler verringert wird.

8. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuermittel einen zweiten Regelkreis mit einem zweiten Subtrahierer (91) enthalten,
dessen positiver Eingang einen Einstellwert (F′_A) der der Übertragungseinrichtung aufzuerlegenden Kraft erhält, wobei dieser Einstellwert (F′_A) durch einen Hilfsmodul (93) ge­ liefert wird, dessen Eingang mit dem Ausgang des ersten Sub­ trahierers verbunden ist und der einen Wert der Einstell­ größe (F′_A) der aufzuerlegenden Kraft liefert, der die Abweichung zwischen der ersten Einstellkraft (F_CO) und der Reaktionskraft verringert,
dessen negativer Eingang mit Mitteln (92) zur Messung der der Übertragungseinrichtung auferlegten Kraft (F_A) verbunden ist, und
dessen Ausgang mit dem Eingang des elektronischen Moduls (4) verbunden ist, um diesem eine Fehlerinformation (ε′) zu liefern, die die Abweichung zwischen dem Einstellwert (F′_A) der auf zuerlegenden Kraft und der auferlegten Kraft (F_A) repräsentiert, wobei der elektronische Modul diesen Fehler (ε′) in einen Winkellagefehler des Dreh-Betätigungsglieds (2) umformt und den Wert des mittleren Stromes (I) zur Steuerung dieses letzteren korrigiert, um diesen Winkel­ fehler zu verringern.

9. Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (82, 92) zur Messung der Kräfte Dehnungsmeßeinrichtungen sind.

10. Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel einen Regelkreis mit einem Subtrahierer (101) enthalten,
dessen positiver Eingang eine elektrische Einstellgröße (I_DO) erhält,
dessen negativer Eingang eine elektrische Größe (I_D) erhält, die repräsentativ für den Kontaktwiderstand (R_C) zwischen der Übertragungseinrichtung und der elektrischen Leitung ist, und
dessen Ausgang mit dem elektronischen Modul verbunden ist, um diesem eine Fehlerinformation (ε_D) zu liefern, die die Abweichung zwischen der elektrischen Einstellgröße (I_DO) und der für den Kontaktwiderstand repräsentativen Größe reprä­ sentiert, wobei der elektronische Modul diesen Fehler (ε_D) in einen Winkellagefehler des Dreh-Betätigungsglieds (2) um­ formt und den Wert des mittleren Stromes (I) zur Steuerung dieses letzteren korrigiert, um diesen Winkellagefehler zu verringern.

11. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Größen Ströme (I_DO, I_D) sind.

12. Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Einstellgrößen (F_CO, F′_A, I_DO) von der Verlagerungsgeschwindigkeit der Maschine (M) abhängig sind.

13. Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Einstellgrößen (F_CO, F′_A, I_DO) von der Stärke des durch die Übertragungs­ einrichtung übertragenen Stromes abhängig sind.

14. Übertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrauliksystem mehrere Hydraulikkreise (42, 43, 44) enthält, wobei es der in einem Körper (49) enthaltene Schieber (1) mit seiner Verlagerung in einer gegebenen Richtung zuläßt, daß in einem ersten Kreis (42) vorhandene Flüssigkeit zu einem zweiten Kreis (43) gelenkt wird, dessen Flüssigkeit auf das Stell­ glied (V) einwirkt, während es der Schieber (1) mit seiner Verlagerung in einer zu der gegebenen Richtung umgekehrten Richtung gestattet, daß die in dem zweiten Kreis (43) vor­ handene Flüssigkeit zu einem dritten Kreis (44) gelenkt wird, der mit einem Reservoir (47) in Verbindung ist, wobei der erste Kreis (42) über eine auf einem vorgegebenen Druck konstant gehaltene Pumpe (48) mit dem Reservoir (47) verbun­ den ist, und wobei der Körper (49) an jedem seiner Enden einen Balg zur Wiedergewinnung von Flüssigkeit aufweist, die dann durch einen Kreis (50) zu dem Reservoir (47) übertragen wird.